НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2014, том 50, № 4, с. 353-357
УДК 621.315.592
ОСОБЕННОСТИ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЯ С НАНОКЛАСТЕРАМИ АТОМОВ МАРГАНЦА © 2014 г. М. К. Бахадырханов, С. Б. Исамов, Н. Ф. Зикриллаев
Ташкентский государственный технический университет им. А.Р. Бируни, Узбекистан
e-mail: sobir-i@mail.ru Поступила в редакцию 08.07.2013 г.
На основе результатов исследования ВАХ при различных температурах, интенсивностях и длинах волн освещения определен спектр энергетических уровней многозарядного кластера атомов марганца в кремнии. Показано что такие кластеры создают целый спектр энергетических уровней, лежащих в интервале ДЕ = 0.2—0.46 эВ от валентной зоны. Энергетические уровни в указанном интервале распределены по экспоненциальному закону.
DOI: 10.7868/S0002337X14040022
ВВЕДЕНИЕ
Токи, ограниченные объемным зарядом (ТООЗ) являются одним из наиболее информативных методов, позволяющим определить основные параметры примесных энергетических уровней в полупроводниках. Особенно этот метод является ценным при изучении спектров энергетических уровней сложных дефектов и их распределения по энергиям [1—7]. В связи с этим ТООЗ представляет особый интерес для исследования спектров энергетических уровней многозарядных комплексов в полупроводниках. Так как такие комплексы примесных атомов создают целый ряд спектров энергетических уровней, существенно отличающихся по концентрации и сечению захвата носителей заряда [8]. Поэтому целью данной работы являлось изучение особенности ТООЗ кремния с многозарядными комплексами атомов марганца. Как было показано в работах [9—12], такие комплексы состоят из четырех атомов марганца, расположенных в ближайших эквивалентных межузельных положениях вокруг отрицательно заряженного атома бора. Одним из основных условий формирования таких комплексов является нахождение атомов марганца в ионизованном
состоянии (Мп+,Мп++). Поэтому кратность зарядового состояния таких комплексов может изменяться от [(Мп)^+В-]+3 до [(Мп)+8В-]+7. При этом следует отметить, что энергетические уровни, связанные с различным зарядовым состоянием комплекса и по концентрации, и по сечению захвата электронов и дырок, должны отличаться.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Для исследования образцов был использован в качестве исходного материала монокристаллический кремний ^-типа с удельным сопротивлением р = 5 Ом см (ЫВ = 4 х 1015 см-3). Легирование кремния марганцем производилось методом низкотемпературной диффузии [13], состоящей из многоэтапного отжига с заданными скоростями нагрева и выдержки на каждом этапе определенное время. Условия легирования были выбраны таким образом, чтобы после диффузии марганца, образцы остались ^-типа с удельным сопротивлением р = 103-105 Ом см и я-типа с р > 104 Ом см. Основные параметры изучаемых образцов приведены в таблице. Различные положения уровня Ферми этих образцов позволяют предположить, что комплексы атомов марганца в них имеют раз-
Основные параметры образцов Si(B, Mn)
№ р, Ом см при 300 К р, Ом см при 77 К Р0, «0, см 3 при 300 К Р0, «0, см 3 при 77 К Ef, эВ при 300 К Ef, эВ при 77 К Тип проводимости
1 8 х 104 7.03 х 1010 3.96 х 1011 8.88 х 104 0.456 0.267 Р
2 1 х 104 1.81 х 1010 8.01 х 1012 3.46 х 105 0.379 0.256 Р
3 8 х 103 8.62 х 109 1.24 х 1013 7.25 х 105 0.367 0.250 Р
4 1 х 103 3.38 х 107 6.94 х 1013 1.85 х 108 0.323 0.205 Р
5 2 х 104 2.74 х 1010 2.00 х 1011 5.70 х 104 0.470 0.286 n
I, A
10-8
(а)
10—
10
10
10
11
I, A 10-1
10-2
10—3
10-4
10-5
10—6
10-7
10-8
10-9
10-10
10—
_|_I I lililí_I_I I lililí_I_I I lililí
10 100 1000 U, В
(б)
1000 U, В
Рис. 1. ВАХ кремния с нанокластерами атомов марганца при Т = 100 К: образец я-тип р = 2 х 104 Ом см, 1 — в темноте, 2 — под ИК-излучением (hv = 0.3 эВ) (а); образцы p-типа 1, 3, 5 — в темноте, 2, 4, 6 — под ИК-излучением (hv = 0.3 эВ) (б).
личное зарядовое состояние. Контакты создавались с помощью нанесения N1 с последующим отжигом в вакууме. Вольтамперная характеристика (ВАХ) образцов исследовалась в широкой области
электрического поля при различных температурах, при различных длинах волн и мощности ИК-излучения. При исследовании образцы помещались в криостат, установленный на установке ИКС-21, снабженной двумя фильтрами из полированного кремния, чтобы фоновый и собственный свет не попадали в образцы. Мощность ИК-излучения калибровалась специальными фильтрами, а ее значение определялось с помощью прибора измерителя средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Как показали результаты эксперимента, ВАХ всех изучаемых образцов при комнатной температуре описывается законом Ома. В перекомпенсированных образцах я-типа (NMn > NB), независимо от их удельных сопротивлений во всей исследуемой области температур, в отличие от компенсированных образцов p-типа ВАХ имеет линейный характер (рис. 1а). Перед измерением образец помещали в криостат (в темноте) медленно охлаждаемый до T = 100 К. При таких температурах, без подачи напряжения, он находился около 12—15 мин для установления равновесного состояния. На рис. 1б представлена ВАХ образцов, снятая в темноте. Как показал эксперимент, в компенсированных образцах p-типа с р ~ 1.5 х 102, 1 х х 103, 1 х 104 Ом см должны оставаться некомпенсированные дырки p = NB -1 NMn около p1 =
= 1.8 х 1014, 1.25 х 1013 и p2 = 8 х 1012 см-3 соответственно. Однако при температуре T = 100 K удельное сопротивление образцов увеличивалось на 3-6 порядков. Такое поведение образцов, позволяет предполагать, что некомпенсированные дырки находятся в достаточно глубоких потенциальных ямах, которые ограничивают их участие в проводимости. Как видно из рисунка в области низких электрических полей зависимость тока описывается как I = Un. Значение я, в соответствии с изменением удельного сопротивления образцов, находится в интервале ~0.65—1.5, т.е. с уменьшением удельного сопротивления образцов переходит от сублинейного характера к квадратичному характеру (рис. 1, кривая 3). Дальнейшее увеличение электрического поля приводит к достаточно сильному изменению тока, при этом значение я меняется с уменьшением удельного сопротивления образцов в интервале я = 2.2—3.2, т.е. ток увеличивается быстрее, чем по квадратичному закону. При более высоких электрических полях наблюдается резкий рост тока, почти вертикальный — ток увеличивается на несколько порядков. Такие ВАХ дают возможность предполагать, что в исследуемых образцах имеет место ТООЗ с глубокими ловушками. Значение электрического поля, при котором КПЗЛ существенно увеличивается с ростом удельного сопротивления образцов,
2
1
составляет 15, 185 и 500 В соответственно. Следует отметить, что с уменьшением удельного сопротивления образцов, значение п в вертикальном участке ВАХ также существенно уменьшается. Зная концентрации носителей заряда при данной температуре нами вычислены положения уровня Ферми в этих образцах при Т = 100 К, которые составляют ЕР1 = 0.15, Еп = 0.199 и ЕР3 = 0.254 эВ соответственно. Поэтому можно предположить, что в этих образцах действуют ловушки с различными концентрациями и энергией ионизации и находятся выше положения уровня Ферми. Если учесть, что исследуемые образцы имеют ^-тип проводимости, то следует считать, что существующие ловушки находятся выше потолка валентной зоны. Однако, как известно атомы марганца в атомарном состоянии в решетке кремния создают два донорных уровня с энергией ионизации Е1 = Ес — 0.3 и Е1 = Ес — 0.5 эВ [14]. Вероятно полное заполнение ловушек (ПЗЛ) в исследуемых образцах связано с энергетическими спектрами кластеров атомов марганца, которые создают ряд глубоких донорных энергетических уровней с энергией ионизации, лежащей при Е> Ev + 0.2 эВ. Зная значение КПЗЛ в исследуемых образцах согласно соотношению [15]
Р,
г¥т
ПЗЛ
вЬ
N
и Р ехр-
Е, - Еп
кТ
(1)
(2)
I, А
10-2
10
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10
10
10
100
1000 и, В
были определены энергии ионизации ловушек Е( в исследуемых образцах, значение которых составило Ей = 0.25, Еа = 0.31, Е3 = 0.338 эВ. Можно предполагать, что в этих образцах действуют различные ловушки с различной концентрацией, которые ответственны за соответствующее зарядовое состояние комплекса. Для подтверждения этого предположения нами снимались ВАХ этих образцов, при освещении примесным светом с энергией фотонов Н\ = 0.3 эВ. Изучение ВАХ образцов (рис. 1б, кривые 4, 5) показало, что токи при маленьких напряжениях увеличиваются по квадратичному закону, а значение КПЗЛ существенно смещается в сторону низких электрических полей. Крутизна вертикального участка ВАХ и его рост уменьшаются, с последующим увеличением тока по квадратичному закону, что соответствует механизму квадратичного заполнения ловушек. Сравнение темновой ВАХ с освещенной показало, что при освещении значение ПЗЛ уменьшается от 185 до 15 В, и от 500 до 40 В соответственно для образцов с р = 103 Ом см и р = 104 Ом см более чем в 10 раз. Для образцов с р = 1.5 х 102 Ом см значение КПЗЛ практически не меняется. Изменение значения ПЗЛ при освещении существенно зависит от удельного сопротивления образцов, т.е. от
Рис. 2. ВАХ кремния с нанокластерами атомов марганца с р = 8 х 103 Ом см при различных мощностях ИК-излучения (^ = 0.3 эВ), Т = 100 К: 1 - в темноте, 2 - 6.39 х 10-6, 3 - 1.34 х 10-5, 4 - 2.82 х 10-5, 5 -5.94 х 10-5 Вт/см2, 6- в темноте, Т = 300 К.
положения уровня Ферми. На основе этих результатов были определены концентрации ловушек в исследуемых образцах ответственных за ПЗЛ, значения которых составили N = 2 х 1013 см-3, N = = 3 х 1012 см-3, N = 3 х 1011 см-3.
Полученные результаты дают полное основание предполагать, что комплексы атомов марганца создают целый спектр достаточно глубоких донор-ных уровней с различной концентрацией около валентной зоны, которая практически свободна от электронов.
Представляет интерес исследование влияния мощности ИК-излучения на ВАХ. ВАХ образцов с р = 8 х 103 Ом см, полученных в абсолютно одинаковых условиях при различных мощностях ИК-излучения (Н\ = 0.3 эВ) представлены на рис. 2. Как видно, в области низ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.